Вольтметр на операционном усилителе
http://www. irls. narod. ru/izm/volt/volt05.htm
При налаживании различной электронной аппаратуры часто требуется вольтметр переменного и постоянного напряжения с высоким входным сопротивлением, работающий в широком интервале частот. Именно такой и относительно несложный прибор удалось сконструировать на ОУ К574УД1А, обладающем высокими характеристиками (частотой единичного усиления более 10 МГц и скоростью нарастания выходного напряжения до 90 В/мкс).
Принципиальная схема вольтметра приведена на рис. 1.
Он позволяет измерять переменное и постоянное напряжения в 11 поддиапазонах (верхние пределы измерений указаны на схеме). Интервал частот - от 20 Гц до 100 кГц в поддиапазоне “10 мВ”, до 200 кГц в поддиапазоне “30 мВ” и до 600 кГц в остальных. Входное сопротивление - 1 МОм. Погрешность измерения постоянного напряжения - ±2, переменного - ± 4 %. Дрейф нуля после прогрева (20 мин) практически отсутствует. Потребляемый ток - не более 20 мА.
Прибор содержит прецизионный выпрямитель на ОУ DA1 с диодным мостом VD1-VD4 в цепи ООС. Выпрямленное напряжение поступает на микроамперметр РА1. Такое включение позволяет получить максимально линейную шкалу вольтметра. Резистор R14 служит для балансировки ОУ, т. е. для установки нулевых показаний прибора.
Прецизионный выпрямитель использован для измерения не только переменного, но и постоянного напряжения, что уменьшило число переключении при переходе с одного режима работы на другой. Кроме того, это упростило процесс измерения постоянного напряжения, так как отпала необходимость изменять полярность включения микроамперметра РА1. Знак измеряемого постоянного напряжения определяет индикатор полярности на ОУ DA2, включенном по схеме масштабного усилителя и нагруженном светодиодами HL1, HL2. Чувствительность устройства такова, что оно индицирует полярность напряжения при отклонении стрелки микроамперметра всего на одно деление шкалы.
Режим работы прибора выбирают переключателем SA1, поддиапазон измерения - переключателем SA2, изменяющим глубину ООС, охватывающей ОУ DA1. При этом в цепь ООС могут быть включены две группы резисторов: R7-R11 (при постоянном напряжении на входе) и R18, R19, R21- R23 (при переменном). Номиналы последних подобраны таким образом, что показания прибора соответствуют эффективным значениям синусоидального
переменного напряжения. Корректирующие цепи R17C8, R20C9 уменьшают неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) прибора на поддиапазонах “10 мВ” и “30 мВ”. Дроссель L1 компенсирует нелинейность АЧХ операционного усилителя DA1. Кратность пределов измерения единице и трем обеспечивается входными частотнокомпенсированными делителями на элементах R1-R6, С2- С7. Изменение коэффициента деления происходит одновременно с переключением резисторов в цепи ООС микросхемы DA1 переключателем SA2.
Питается прибор от импульсного источника (рис. 2). За основу взято устройство, описанное в статье В. Зайцева, В. Рыженкова “Малогабаритный сетевой блок питания” (“Радио”, 1976, № 8, с. 42, 43). Для повышения стабильности и снижения уровня пульсации питающих напряжений оно дополнено стабилизаторами на микросхемах DA3, DA4 и LC-фильтрами. Можно использовать и другой подходящий стабилизированный источник напряжений ±15 В, а также батарею гальванических элементов или аккумуляторов.
В вольтметре применен микроамперметр М265 (класса точности 1) с током полного отклонения 100 мкА и двумя шкалами (с конечными отметками 100 и 300). Допускаемое отклонение сопротивлений резисторов R1-R6, R7-R11, R18, R19, R21-R23 - не более ±0,5 %. Микросхему К574УД1А можно заменить на К574УД1Б, К574УД1В. Дроссели L1-L5 - ДМ-0,1. Трансформатор Т1 намотан на тороидальном магнитопроводе внешним диаметром 34, внутренним 18 и высотой 8 мм из пермаллоевой ленты толщиной 0,1 мм. Обмотки I и IV содержат по 60 витков провода ПЭВ-2 0,1, II и III - по 120 (ПЭВ-2 0,2), а V и VI - по 110 (ПЭВ-2 0,3) витков.
Для уменьшения наводок элементы входного делителя и резисторы цепи ООС R7-R11, R18, R19, R21-R23 смонтированы непосредственно на контактах переключателя SA2. Остальные детали размещены на плате, закрепленной на резьбовых шпильках-выводах микроамперметра. Микросхема DA1 закрыта латунным экраном. Выводы питания 5 и 8 ОУ непосредственно у микросхемы DA1 соединяют через конденсаторы емкостью 0,022...0,1 мкФ с общим проводом. С переключателями SA1, SA2 ее выводы 3 и 4 соединены экранированными проводами. Транзисторы VT1, VT2 источника питания установлены на теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности около 6 см2. Источник необходимо заэкранировать.
Налаживание начинают с источника питания. Если его блокинг-генератор не самовозбуждается, генерации добиваются подбором резистора R26. После этого подстроечными резисторами R28, R30 устанавливают напряжения +15 и -15 В, подключают к источнику налаживаемый прибор и убеждаются в отсутствии самовозбуждения микросхемы DA1. Если это все же происходит, то между ее выводами 6 и 7 включают конденсатор емкостью 4...10 пФ и проверяют отсутствие самовозбуждения на всех поддиапазонах измерения постоянного и переменного напряжения.
Далее прибор переключают на поддиапазон измерения переменного напряжения “1 В” и подают на вход синусоидальный сигнал частотой 100 Гц. Изменяя его амплитуду, добиваются отклонения стрелки на среднюю отметку шкалы. Увеличивая частоту входного напряжения, подстроечным конденсатором С2 добиваются минимальных изменений показаний прибора в рабочем интервале частот. То же самое делают на поддиапазонах “10 В” и “100 В”, изменяя емкость конденсаторов С4 и С6 соответственно. После этого по образцовому вольтметру проверяют показания прибора на всех поддиапазонах.
Следует отметить, что при отсутствии микросхемы К574УД1А в вольтметре можно использовать ОУ К140УД8 с любым буквенным индексом, однако это приведет к некоторому сужению рабочего интервала частот.
В. ЩЕЛКАНОВ
Милливольтметр
http://www. irls. narod. ru/izm/volt/volt06.htm
Прибор, внешний вид которого показан на рис. 1 3-й с. обложки журнала(здесь не показан), измеряет эффективные значения синусоидального напряжения от 1 мВ до 1 В, при использовании дополнительного делителя-насадки до 300 В, в интервале частот 20 Гц...20 МГц. Применение в милливольтметре широкополосного усилителя с выпрямителем, охваченных общей отрицательной обратной связью (ООС), позволило получить высокую точность показаний и линейную шкалу. Основная погрешность на частоте 20 кГц - не более ±2 %. Дополнительная частотная погрешность в интервале 100 Гц...10 МГц не превышает ±1, а в интервалах 20...100 Гц и 10...20 МГц - ±5 %. Погрешность от переключения пределов измерения в интервалах частот до 10 и от 10 до 20 МГц - соответственно не более ±2 и ±6 %. С достаточной для радиолюбительской практики точностью (±10...12%) прибором можно измерять напряжения частотой до 30 МГц, однако минимальное напряжение при этом составляет 3 мВ. Входное сопротивление милливольтметра - 1 МОм, входная емкость - 8 пФ. Прибор питается от батареи из одиннадцати аккумуляторов Д-0,25. Потребляемый ток - около 20 мА. Время непрерывной работы от свежезаряженной батареи - не менее 12 ч.
Зарядные устройства" href="/text/category/zaryadnie_ustrojstva/" rel="bookmark">зарядное устройства (VD4).
Каскад выносного пробника охвачен 100 %-ной ООС. Его нагрузкой и одновременно элементом цепи ООС служит делитель напряжения R8-R13. Дополнительный резистор R8 включен для согласования делителя с волновым сопротивлением (1500м) соединительного кабеля. Конденсаторы С4. С5 компенсируют частотные искажения.
Широкополосный усилитель милливольтметра собран на транзисторах VT3--VT10. Собственно усилитель - трехкаскадный, на транзисторах VT4. VT7, VT10 с нагрузкой, функции которой выполняет усилитель на транзисторах VT3, VT6, VT9. Включенные диодами транзисторы VT5 и VT8 увеличивают напряжение между коллекторами и эмиттерами транзисторов VT3 и VT4.
Вход усилителя подключен через конденсаторы С6, С7 и переключатель SA1.2 к выходу делителя напряжения. Поляризующее напряжение в точку соединения конденсаторов подано через резистор R14. Резистор R15 образует с входной емкостью транзистора VT4 фильтр нижних частот, обеспечивающий снижение усиления за пределами рабочей полосы частот усилителя.
По постоянному току усилитель охвачен общей ООС через резисторы R15 и R21. Каскады нагрузки также охвачены общей ООС, причем глубина ее равна 100 %, так как база транзистора VT3 непосредственно соединена с эмиттером транзистора VT9. Эта ООС действует и на переменном токе (резистор R25 не шунтирован конденсатором), что значительно увеличивает выходное сопротивление транзистора VT9 (и всего усилителя) и уменьшает его выходную емкость до единиц пикофарад. При этом создаются условия для передачи всей мощности усиливаемого сигнала на выпрямитель (VD1. VD2) в широком интервале частот. Высокое выходное сопротивление обеспечивает режим генератора тока в цепи выпрямителя и линейную шкалу.
При указанном на схеме включении транзисторов VT9 и VT10 добиться стабильности рабочего режима усилителя очень трудно. Хороших результатов удалось достичь соединением коллекторов транзисторов VT3 и VT4 через резисторы R18 и R19 и подключением коллекторов транзисторов VT6 и, VT7 к точке их соединения (2).
Если по какой-либо причине, например, из-за увеличения температуры транзистора VT3, возрастает его коллекторный ток. В результате уменьшаются напряжение между его коллектором и эмиттером и токи транзисторов VT6, VT9, а напряжение коллектор-эмиттер последнего возрастает. Однако коллекторный ток транзистора VT6 уменьшается значительно в большей степени, чем увеличивается ток транзистора VT3. поэтому их суммарный ток становится существенно меньше. Это вызывает снижение тока транзистора VT7, а следовательно и VT10, что приводит к росту напряжения коллектор-эмиттер транзистора VT10 и изменению напряжения в точке соединения коллекторов транзисторов VT9, VT10 в сторону первоначального значения. Таким образом обеспечивается относительно высокая стабильность работы устройства: при изменении исходной температуры (+18...20°С) на ±30 "С постоянное напряжение на выходе изменяется на 10...25 %.
Основной недостаток описываемого усилителя - необходимость (из-за большого разброса параметров транзисторов) начальной установки постоянного напряжения на выходе подбором одного из резисторов R25 или R26. Чтобы этого не делать, усилитель дополнен следящим каскадом на транзисторах VT16-VT19, который обеспечивает дополнительную общую ООС по постоянному току и служит для стабилизации рабочего режима усилителя . Полезная особенность каскада заключается в том, что токи баз транзисторов VT16 и VT18 протекают через резистор R27 в противоположных направлениях, результирующий ток очень мал, поэтому сопротивление резистора может быть очень большим, а стабилизирующее действие каскада высоким.
Если из-за каких-либо причин напряжение на выходе усилителя увеличивается, токи транзисторов VT18, VT19 возрастают, а транзисторов VT16, VT17 - уменьшаются. В итоге падение напряжения на резисторе R17 становится меньше, и напряжение между эмиттером и базой транзистора VT3 повышается, что вызывает увеличение его коллекторного тока и уменьшение напряжения между эмиттером и коллектором. Это приводит к снижению тока транзисторов VT6 и VT9, в результате чего напряжение на выходе стремится к первоначальному значению. Кроме того, при уменьшении коллекторного тока транзисторов VT16, VT17 становится меньше напряжение на резисторе R26, а следовательно, и коллекторный ток транзистора VT4. Напряжение на его коллекторе и токи транзисторов VT7 и VT10 возрастают, что вызывает уменьшение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора VT10 и восстановление первоначального режима работы усилителя. К тому же уменьшение коллекторного тока транзистора VT4 приводит к снижению тока транзистора VT6, а следовательно и VT9, что также способствует поддержанию заданного режима работы усилителя.
Следует отметить, что восстановительное действие по коллекторной цепи транзисторов VT16 и VT17 значительно слабее, чем по эмиттерной, так как их коллекторы подключены к цепи эмиттера транзистора VT10 выходного каскада усилителя. Тем не менее оно улучшает работу следящего каскада.
Аналогичным образом стабилизирует режим работы усилителя составной транзистор VT18VT19.
Благодаря применению следящего каскада широкополосный усилитель не требует установки режимов транзисторов и может работать в широком интервале температуры.
Выпрямитель милливольтметра - двухполупериодный с раздельной нагрузкой в каждом плече (R28C15 и R29C16). Резистор R30 служит для калибровки прибора РА1.
Широкополосный усилитель и выпрямитель охвачены общей ООС по переменному току через резистор R22. Это обеспечивает повышение линейности выпрямителя и стабильности показаний прибора, а также расширение рабочего интервала частот. Для увеличения глубины ООС по переменному току в цепи эмиттеров транзисторов VT4, VT10 включены блокировочные конденсаторы С10 и С12. Цепь R16C8, шунтирующая резистор R22, корректирует частотную характеристику усилителя на высших частотах.
Стабилизатор напряжения (VT11- VT15, VD3) - параметрического типа.
Транзисторы VT11-VT13 использованы в качестве стабисторов в цепи стабилитрона Д814Г (VD3), имеющего большой разброс напряжения стабилизации. Соединяя перемычкой точки 1 и 2, 1 и 3 или 1 и 4, получают требуемое для работы прибора напряжение питания 12±0,3 В.
Зарядное устройство собрано по схеме однополупериодного выпрямителя с ограничительными резисторами R39, R40.
В милливольтметре предусмотрен контроль напряжения аккумуляторной батареи GB1 в положении “Контр. пит.” переключателя SA2. При. этом резистор R38 задает верхний предел измерения 20 В-
Резисторы R1, R2, R9-R13, R15, R22 и R38 должны иметь малый температурный коэффициент сопротивления, поэтому следует использовать резисторы С2-29. С2-23, БЛП, УЛИ и т. п. Если же повышенные стабильность и точность в широком интервале температуры не требуются, то можно применить резисторы МЛТ. В этом случае приемлемая для радиолюбительской практики погрешность измерений будет обеспечиваться при температуре 20±15 °С. Остальные резисторы - МЛТ с допуском 5 %. Все оксидные конденсаторы в милливольтметре - К50-6, остальные - КМ4-КМ6 и т. п.
Транзисторы серий КТ315, КТЗ6З, К. Т368 и диоды серии КД419 можно использовать с любым буквенным индексом. Диод VD4 - любой кремниевый маломощный с допустимым обратным напряжением 400 В и прямым током не менее 50 мА. Стабилитрон Д814Г можно заменить любым другим маломощным с напряжением стабилизации 11 В. В выпрямителе (VD1, VD2) можно использовать детекторные или смесительные диоды СВЧ (Д604, Д605 и др.), а в крайнем случае и германиевые диоды Д18, Д20, однако при этом верхний предел рабочего интервала частот уменьшится до 10...15 МГц.
Переключатель SA1 - ПГ-3 (5П2Н), но можно использовать ПГК, ПМ и другие галетные, лучше керамические; SA2 и SA3 - тумблеры ТП1-2.
Измерительный прибор РА1 - микроамперметр М93 с внутренним сопротивлением 350 Ом, током полного отклонения 100 мкА и двумя шкалами с конечными отметками 30 и 100. Можно использовать и другие приборы (например, М24 и аналогичные) с иным током полного отклонения, но не более 300 мкА, необходимо только подобрать резисторы R32 и R38.
Милливольтметр смонтирован в корпусе (см. обложку) размерами 200Х115Х66 мм из дюралюминия толщиной 1,5 мм; лицевая панель изготовлена из того же материала толщиной 2,5 мм. В последней имеются два отверстия диаметром 28 мм для размещения выносного пробника и делителя-насадки.
Выносной пробник и делитель-насадка выполнены в виде стыкуемых одна с другой частей коаксиального разъема (штепсель - пробник, гнездо - делитель-насадка). Конструкция первого из них показана на рис. 3 обложки. К латунному штырю припаян вывод конденсатора С2, расположенного на монтажной плате, которая плотно вставлена в конусообразный наконечник из органического стекла. В качестве цилиндрического экрана использован корпус оксидного конденсатора. Внешний диаметр экрана - 28, длина - 54 мм. На экране закреплен хомут из жести с гибким проводом для подключения к контролируемому устройству. Через отверстие в торце экрана в пробник введены два кабеля длиной около 1 м:
один из них (коаксиальный с волновым сопротивлением 150 Ом) использован для соединения пробника с делителем напряжения, другой (экранированный провод) - для подачи напряжения питания. Экранирующие оплетки обоих кабелей припаяны к общим точкам пробника и усилителя. К ним же подключены экран пробника и корпус прибора.
Примерно так же устроен и делитель-насадка (см. рис. 4 обложки). К конусообразному наконечнику из органического стекла на расстоянии примерно 20 мм от штыря привинчена перегородка из жести с экранирующей трубкой внутренним диаметром в 2...3 раза большим, чем диаметр резистора Rl, и длиной на 1...2 мм большей его длины (без выводов). Перегородка припаяна к трубке в средней части и имеет электрический контакт с внешним цилиндрическим экраном. Резистор Rl размещен в трубке коаксиальною, один его вывод припаян к штырю, второй - к латунному гнезду, расположенному на расстоянии 14...15 мм от перегородки. Гнездо закреплено в диске из органического стекла толщиной 7 и диаметром 27 мм, соединенном с перегородкой двумя Г - образными латунными уголками и винтами.
Резисторы R8-R13 и конденсаторы С4, С5 с предварительно укороченными выводами припаяны непосредственно к контактам переключателя SA1. Вывод подвижного контакта переключателя SA1.2 расположен поблизости от входа усилителя, а вывод, к которому припаяны резисторы R12 и R13, - на расстоянии, чуть большем длины резистора R13 (без выводов), от общей точки усилителя. Выводы резистора R13 укорочены до 2...2,5 мм для того, чтобы их индуктивное сопротивление на высшей рабочей частоте было значительно меньше активного сопротивления резистора (иначе возрастут частотные искажения на высоких частотах).
Элементы зарядного устройства R39, R40 и диод VD4 смонтированы на небольшой плате, закрепленной на лицевой панели возле вилки ХРЗ.
Остальные детали милливольтметра размещены на плате из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, как показано на рис. 5 обложки. Она закреплена на резьбовых шпильках-выводах микроамперметра РА1. Оксидные конденсаторы установлены на плате вертикально, выводы загнуты с противоположной стороны в соответствующих монтажу направлениях. Выводы резистора R22 укорочены до 2...3 мм.
Через отверстия а-а в левой (на обложке) части платы пропущен 3 раза луженый провод диаметром 0,7 мм и залит припоем. Этот провод - общая точка усилителя. Соединения с ней, показанные штриховой линией, выполнены проводом того же диаметра с противоположной деталям стороны, причем от конденсатора СИ проложен двойной провод для уменьшения индуктивности. Таким же способом подключены выводы резисторов R28, R29 и конденсаторов С 15, С 16 к точке соединения резистора R22 и конденсаторов С8, С10. При повторении конструкции все эти провода следует проложить кратчайшим путем, но так, чтобы они по возможности не пересекали других проводов и не проходили над точками пайки (на обложке они для наглядности показаны без учета этих требований).
Аккумуляторная батарея GB1 установлена на плате между двумя пружинящими уголками, служащими ее выводами. Аккумуляторы помещены в трубку, склеенную из плотной бумаги (2- 3 слоя). Края трубки длиной 110... 115 мм завальцованы с обоих концов. На плате батарея закреплена гибким монтажным проводом.
Налаживание милливольтметра начинают с установки напряжения питания, соединяя при необходимости перемычкой контакты 2,3 или 4 с контактом 1. Далее проверяют напряжение на истоке транзистора VT1. Если оно меньше 1,5 В, то на затвор транзистора следует подать небольшое (доли вольта) положительное напряжение с резистивного делителя общим сопротивлением 130...140 кОм. Затем проверяют режимы работы транзисторов в усилителе. Измеренные значения напряжения не должны отличаться от указанных на схеме более чем на ±10 %.
После этого на вход милливольтметра (КР2) подают с генератора стандартных сигналов колебания частотой 100 кГц и напряжением 10 мВ. Переключатель устанавливают в положение ”0,01”. Изменяя сопротивление резистора R30, добиваются отклонения стрелки прибора РА1 на конечную отметку шкалы.
Наконец, плавно перестраивая генератор, проверяют частотную характеристику прибора в области высоких частот, предварительно отключив вывод конденсатора С8 от резистора R22. На частоте 20 МГц показание милливольтметра не должно уменьшаться (по отношению к 100 кГц) более чем на 10...20 %. Если же это не так. необходимо уменьшить сопротивление резистора R15.
После этого восстанавливают соединение конденсатора С8 с резистором R22 и добиваются равномерности частотной характеристики на высоких частотах, подбирая при необходимости конденсатор С8 и резистор R16. В отдельных случаях для более точной корректировки частотной характеристики в интервале от 16 до 20 МГц в эту цепь последовательно включают дроссель, намотав на резисторе МЛТ-0,25 сопротивлением более 15 кОм 10-25 витков провода ПЭВ-1 диаметром 0,11... 0,13 мм в один ряд
Для проверки частотной характеристики в области низких частот используют генератор ГЗ-33, ГЗ-56 или аналогичный при включенном внутреннем сопротивлении 600 Ом и в положении “АТТ” переключателя выходных сопротивлений. Частотные искажения в этой области зависят исключительно от емкости блокировочных и разделительных конденсаторов С2, СЗ, С6, С7, С9--С13 (чем она больше, тем искажения меньше).
Г. МИКИРТИЧАН
г. Москва
ЛИТЕРАТУРА
1. Авт. свид. СССР № 000 (Бюл. “Открытия, изобретения...”, 1977, № 9).
2. Авт. свил. СССР J6 634449 (Блюл. “Открытия, изобретения...”. 1978, № 43).
3. Авт. свил. СССР № 000 (Блюл. “Открытия. изобретения...”, 1984. № 13).
РАДИО №5, 1985 г. с. 37-42.
Милливольтметр - Q-метр
http://www. irls. narod. ru/izm/volt/voltq. htm
И. Прокопьев
Прибор, описание которого предлагается вниманию читателей, предназначен для измерения добротности катушек, их индуктивности, емкости конденсаторов, а также высокочастотного напряжения. При измерении добротности на колебательный контур подается напряжение 1 мВ (вместо 50 мВ в Е9-4), поэтому от внешнего генератора ВЧ требуется напряжение всего 100 мВ, т. е. можно воспользоваться практически любым маломощным транзисторным генератором сигналов с диапазоном рабочих мест не менее 0,24...24 МГц.
Диапазон измеряемых значений добротности - 5...1000 с погрешностью 1%, емкости - от 1 до 400 пФ с погрешностью 1% и 0,2 пФ при измерении емкости 1...6 пФ. Индуктивность определяется на фиксированных частотах в пяти поддиапазонах согласно таблице.
Частота измерения, МГц | Поддиапазон, мкГ |
Встроенным милливольтметром (схема заимствована из (1)) можно измерять переменное напряжение в шести поддиапазонах 3, 10, 30, 100, 300, 1000 мВ в полосе частот от 100 кГц до 35МГц. Входное сопротивление - 3 МОм, входная емкость 5 пФ. Погрешность измерений не превышает 5%.
Прибор имеет небольшие габариты - 270х150х140 мм, несложен по конструкции и легок в налаживании. Питается он от сети переменного тока напряжением 220 В через встроенный стабилизированный источник питания.
Принципиальная схема милливольтметра с выносным пробником и источником питания показана на рис. 1,
https://pandia.ru/text/80/142/images/image006_47.gif" width="455" height="176">
Рис. 2.
Гнезда Х5-Х8 измерительного блока смонтированы на пластине из фторопласта (другие материалы непригодны) и расположены по углам квадрата со стороной 25 мм (рис. 3.)
Рис. 3.
Конденсатор С27 - подстроечный, с воздушным диэлектриком, С23 - обязательно слюдяной с малыми потерями (например, КСО). Конденсатор С24 - любой керамический, но обязательно с минимальной собственной индуктивностью. Для этого собственные выводы конденсатора отпаивают, к одной обкладке припаивают медную пластину размерами 20х20х1 мм, которую затем винтом крепят к корпусу переменного конденсатора С25 как можно ближе к гнездам Х5-Х8. Ко второй обкладке конденсатора С24 припаивают один конец ленты из медной фольги, второй конец которой припаивают к гнезду Х5, как показано на вкладке. Гнезда и другие медные детали измерительного блока желательно посеребрить.
Милливольтметр состоит из выносного пробника, аттенюатора, трехкаскадного широкополосного усилителя, детектора с удвоением напряжения и микроамперметра.
Пробник собран по схеме повторителя напряжения на транзисторах V1, V2. Он соединен с прибором экранированным кабелем с дополнительным проводником, по которому поступает напряжение питания.
Широкополосный аттенюатор смонтирован на плате керамического переключателя на 11 положений. Между группами деталей аттенюатора относящимися к одному поддиапазону, установлены экранирующие пластины из листовой меди толщиной 0,5 мм, а весь аттенюатор заключен в латунный экран диаметром 50 мм и длиной 45 мм.
Все три каскада широкополосного усилителя собраны по схеме с общим эмиттером и имеют коэффициент передачи 10. Усиленный сигнал поступает на амплитудный детектор и далее, через подстроечный резистор R31 (калибровка), на измерительный прибор P1.
Блок питания прибора особенностей не имеет. Сетевое напряжение понижается трансформатором T1, выпрямляется и поступает на стабилизатор на транзисторах V9, V10.
Конструктивно прибор собран в дюралюминиевом корпусе (рис. 4).
Рис. 4.
Выносной пробник (рис. 5)
Рис. 5.
смонтирован на слюдяной пластине методом навесного монтажа и заключен в алюминиевый корпус - экран диаметром 18 и длиной 80 мм. При повторении прибора следует строго выполнять правила монтажа высокочастотных устройств.
В приборе использованы постоянные резисторы ОМЛТ, МЛТ-0,125. В аттенюаторе резисторы подобраны с точностью 10%. Конденсаторы К50-6, КЛС, КТП, КМ-6. Подстроечный резистор R31 - СП-11; его ручка выведена под шлиц на переднюю панель. Микроамперметр М265 с током полного отклонения 100 мкА. Выключатели МТ-1, МТ-3, ПГК.
Налаживание прибора начинают с установки номинального тока через стабилитрон V8. Для этого при напряжении сети 220 В подбирают резистор R35 так, чтобы ток стабилизации был равен 15 мА. Затем подбором резистора R34 устанавливают на выходе стабилизатора напряжение 9 В. Потребляемый прибором ток при этом не превышает 25 мА. После этого на вход пробника подают напряжение от генератора сигналов и контролируя напряжение на выходе широкополосного усилителя, подбором корректирующих цепей в эмиттерных цепях транзисторов V3-V5, добиваются равномерной АЧХ усилителя в полосе частот 0,1...35 МГц (о том, как это сделать. можно прочитать в (1).
Для налаживания измерительного блока Q-метра нужно от генератора стандартных сигналов н» гнездо Х4 подать напряжение 100 мВ частотой 760кГц и к гнездам Х5, Х6 подключить любую катушку с индуктивностью в пределах 0,1…1 мГ. Вращая ось конденсатора С26, добиваются резонанса, по максимуму показаний милливольтметра, подключенного к измерительному блоку Q-метра. Если это удалось сделать, значит, измерительный блок смонтирован правильно и можно приступать к градуировке шкал конденсаторов. Конденсатор С26 служит длю точной настройки контура, поэтому его шкала должна быть с нулевой отметкой посредине и отградуирована в пределах от – 3 до +3 пФ.
Шкалу конденсатора С25 градуируют на одной частоте, например 760 кГц, расчетным путем по формуле L=25,4/f2*(C+Cq), где Cq – емкость конденсатора С26, соответствующая нулевой отметке шкалы. Индуктивность получается в мГ, если частоту подставлять в МГц, а емкость в пФ. Коррекцию показаний производят на частоте 24МГц конденсатором С27 и подбором числа витков индуктивности L1 (0,03 мкГ).
Для измерения добротности необходимо подключить выносной пробник к гнезду Х9 измерительного блока Q-метра (входной Х4 и выходной Х9 разъемы измерительного блока Q-метра расположены на задней панели прибора). От внешнего генератора подать на гнездо Х4 напряжение нужной частоты и при нажатой кнопке “K” (S3) регулятором выходного напряжения генератора установить по шкале милливольтметра напряжение 100 мВ. Далее подключают катушку и добиваются резонанса вращением ручек настройки конденсаторов С25, С26 и считывают показания (при измерении добротности показания милливольтметра умножают на 10).
Более подробно о возможных вариантах использования Q-метра для измерения различных параметров катушек и конденсаторов рассказано в .
Литература
1. Уткин И. Переносной милливольтветр - Радио, 1978, 12, с. 42-44
2. Заводское описание конструкции Q-метра Е9-4
3. Роговенко С. Радиоизмерительные приборы - Высшая школа, часть 2, с. 314-334
Милливольтнаноамперметр
http://www. irls. narod. ru/izm/volt/volt04.htm
Для того чтобы вольтметр обладал большим входным сопротивлением (несколько мегаом), вполне достаточно выполнить его входной каскад на полевом транзисторе, включенном по схеме истокового повторителя. В отличие от часто используемого (для компенсации дрейфа нуля) дифференциального каскада на этих полупроводниковых приборах такое решение проще, избавляет от подбора пары экземпляров, идентичных по нескольким параметрам, что из-за значительного их разброса требует большого числа транзисторов, хотя и приводит к необходимости подстройки нуля вольтметра. Так как падение напряжения на входном сопротивлении пропорционально протекающему через него току, прибором одновременно можно измерять и его.
Указанные соображения позволили сконструировать простой милливольтнаноамперметр, который обеспечивает измерение как малых постоянных и переменных напряжений, так и токов в высокоомных цепях различной радиоаппаратуры. В исходных положениях переключателей прибор готов к измерению напряжения от 0 до 500 мВ или тока от 0 до 50 нА. Манипулируя переключателями, верхний предел измерения напряжения можно понизить до 250, 50 и 10 мВ, а тока - до 25, 5 и 1 нА, или повысить каждый из них в 100 раз (при нажатии кнопок “мВХ100” и “нАХ100”). Таким образом, максимальные измеряемые напряжение и ток ограничены соответственно пределами 50 В и 5 мкА (большие значения могут быть измерены обычными авометрами с достаточно большим входным сопротивлением и малым падением напряжения. например, Ц4315). Входное сопротивление прибора равно 10 МОм. при ненажатом или 100 кОм при нажатом кнопочном переключателе “нАХ100”. Максимальная частота измеряемых переменных напряжения и тока - не менее 200 кГц.
Принципиальная схема прибора изображена на рис. 1.
Он состоит из входного узла (R1 - R3, С2, СЗ, SA1, SA2), истокового повторителя (VT1), усилительного каскада (DA1), устройства выбора пределов измерения и рода тока (R9-R16, SA3, SA4), измерительного узла (VD3-VD6, PA1, C5) и источника питания (T1, VD7-VD12, С8 - С11, R17, R18).
Истоковый повторитель обеспечивает высокое входное сопротивление прибора. Согласно справочным данным ток утечки затвора примененного полевого транзистора может достигать 1 нА, что вроде бы не позволяет измерять ток меньших значений. Однако такой ток утечки возникает лишь при напряжении между затвором и истоком, равном 10 В. а в приборе это напряжение близко к нулю. Поэтому реальные значения тока утечки намного меньше паспортного и можно считать, что входное сопротивление прибора определяется элементами входного узла. Последний представляет собой частотнонезависимый делитель напряжения R1-R3C2C3. управляемый переключателями SA1 и SA2, расширяющими пределы измерения тока и напряжения до 5 мкА и 50 В соответственно. Диоды VD1, VD2 защищают транзистор VT1 от входных напряжений опасного для него уровня. В усилительном каскаде применен доступный ОУ К140УД1Б, обладающий достаточно высоким коэффициентом усиления и хорошими частотными свойствами. Входное сопротивление усилителя - несколько сотен килоом. На неинвертирующий вход ОУ с истока транзистора VT1 поступает измеряемое напряжение. Подстроечный резистор R5 служит дли установки нулевых показаний прибора при переключении пределов измерения, ОУ охвачен цепью ООС через измерительный узел и устройство выбора пределов измерения и рода тока. С помощью переключателей SA3 и SA4 к инвертирующему входу ОУ подсоединяют один из резисторов R9-R16, переключателем SA4 микроамперметр РА1 включают в цепь ООС либо непосредственно (при измерении постоянных напряжения и тока), либо через выпрямитель VU3-VD6 (при измерении переменных величин). Для защиты от бросков тока в момент выключения питания микроамперметр замыкается накоротко секцией SA5.2 выключателя SA5 одновременно с отключением прибора от сети.
Двуполярный источник питания прибора содержит параметрические стабилизаторы VD7R17 и VD8R18.
Детали и конструкция. В приборе, применены резисторы СП5-3 (R5) и МЛТ (остальные), конденсаторы. К50-6 (С5, С8, С9), К50-7 (GIO, СИ), МБМ, КТ1, БМ (остальные), микроамперметр М2003 с током полного отклонения стрелки 50 мкА. переключатели П2К.
Сетевой трансформатор Т1 намотан на магнитопроводе ШЛ15Х25 с окном 10Х35 мм. Обмотка 1-2 содержит 4000 витков провода ПЭВ-2 0.12, 3-4-5 -- 320 + 320 витков провода ПЭВ-2 0,2.
ОУ К140УД1Б можно заменить любым другим (с соответствующими напряжениями питания и коррекцией), однако из-за худших частотных свойств большинства доступных ОУ рабочий диапазон частот прибора в этом случае сузится. Вместо транзистора КП303Б можно использовать КП303А или КП303Ж, вместо диодов Д223, Д104 --любые кремниевые с такими же параметрами, вместо Д18 - германиевые диоды серии Д2 или Д9 с любым буквенным индексом.
В приборе можно применить и другие микроамперметры с током полного отклонения стрелки 100 или 200 мкА, однако резисторы R9-R16 В этом случае придется подобрать заново.
Прибор собран на двух печатных платах из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Их чертежи приведены па рис. 2 (плата 1)
и 3 (плата 2).
Переключатели SA1-SA4 вместе с платой 1 смонтированы па алюминиевом уголке, который привинчивают к передней панели. На ней установлен и подстроечный резистор R5 для подстройки нуля прибора, для чего предусмотрено отверстие для отвертки. Плата 2 закреплена с помощью втулок и гаек на винтах крепления микроамперметра. В ее средней части выпилено отверстие размерами 45Х X 15 мм, открывающее доступ к лепесткам на выводах-шпильках микроамперметра, к которым припаяны выводы конденсатора С5. Конденсаторы С10 и СИ установлены на металлическом уголке, привинченном к этой плате, причем корпус конденсатора СИ изолирован от него.
Налаживание. До монтажа некоторые детали прибора рекомендуется подобрать. В первую очередь это относится к резисторам R2 и R3. Их суммарное сопротивление должно быть равно 10 МОм (допускаемое отклонение - не более ±0,5 %), а отношение сопротивлений R2/R3 - 99. С такой же точностью необходимо подобрать и резистор R1. Для облегчения подбора каждый из названных резисторов можно составить из двух (меньших номиналов). Диоды VD3- VD6 подбирают по примерно одинаковому обратному сопротивлению, которое должно быть не менее 1 МОм.
Далее все детали, кроме резисторов RIO-R16, монтируют на платах, подсоединяют трансформатор питания, детали измерительного узла, входные гнезда и, установив переключатели в положения, показанные на схеме, включают питание. Вначале измеряют напряжения на выходе двуполярного источника питания и, если они различаются более чем на 0,1 В, подбирают стабилитрон VD7 или VD8. Напряжение пульсации обоих плеч источника не должно превышать 2 мВ.
После этого в среднем положении движка подстроечного резистора R5 подбором резистора R6 устанавливают стрелку микроамперметра РА1 точно на нулевую отметку шкалы и переходят к калибровке прибора. Вначале на входные гнезда XS1 и XS3 подают постоянное напряжение 10 мВ и при нажатой кнопке SA3.1 подбором резистора R10 добиваются отклонения стрелки до последней отметки шкалы. Затем входное напряжение последовательно увеличивают до 50, 250 и 500 мВ и этой же цели добиваются подбором соответственно резисторов R13 (при нажатой кнопке SA3.2), R15 (нажата кнопка SA3.3) и R9 (все кнопки - в положениях, показанных на схеме).
Затем переключателем SA4 прибор переводят в режим измерения переменных напряжения и тока и, последовательно подавая на гнезда XS2, XS3 переменные напряжения 10, 50, 250 и 500 мВ частотой 1 кГц, калибруют прибор подбором соответственно резисторов R12, R14, R16 и R11.
В заключение при нажатой кнопке SA2 и входном напряжении частотой 100 кГц проверяют калибровку па одном из пределов измерения переменного напряжения и, если необходимо, корректируют показания прибора подбором конденсатора С2.
Б. АКИЛОВ
г. Саяногорск, Хакасской АО
РАДИО № 2, 1987 г. с. 43.
В практике радиолюбителя бывают такие моменты, когда требуется одновременно измерить постоянную составляющую сигнала и переменную. Обычно в таком случае пользуются осциллографом, но как быть если нет осциллографа. Если нет необходимости в точном определении формы сигнала переменной составляющей, можно воспользоваться двумя вольтметрами, один для измерения постоянного напряжения, другой - для переменного, включив их к одной точке.
В этом случае требуется два прибора, пользоваться одним универсальным (с переключателем - "переменный-постоянный") не удобно, невозможно наблюдать одновременно за племенной и постоянной составляющей, требуется время на переключение, а в некоторых случаях желательно видеть изменение обеих составляющих.
В такой ситуации может оказаться полезным описанный ниже прибор. Он в одном корпусе содержит два электронных вольтметра, переменного и постоянного тока, имеющих один общий источник питания и один общий провод, и два независимых стрелочных индикатора и входа.
Оба входа такого вольтметра можно подключить к одной точке и одновременно наблюдать за изменением постоянной и переменной составляющей, либо вольтметром постоянного тока измерять какое-либо управляющее напряжение, или режим работы каскада (например, напряжение смещения), и одновременно наблюдать за уровнем выходного переменного сигнала при помощи вольтметра переменного тока, включенного на выходе устройства.
Прибор имеет такие параметры: диапазон измеряемых напряжений постоянного тока - от 1 мВ до 1000В, диапазон измеряемых напряжений переменного тока - от 1 мВ до 100В, входное сопротивление входа измерения постоянного напряжения - 10 Мом, входное сопротивление входа измерения переменного напряжения - 1 Мом, мощность потребления от сети 1 Вт, граничная частота измеряемого переменного напряжения - 100 кгц при погрешности не более 1% и 1 Мгц при погрешности не более 10%.
Принципиальная схема показана на рисунке 1. Вольт-метр постоянного тока сделан на операционном усилителе А1. Здесь, при переключении пределов измерения используется одновременно два способа, во-первых входное напряжение делится при помощи двухступенчатого делителя на резисторах R1 R2, во-вторых изменяется коэффициент усиления самого операционного усилителя при помощи изменения глубины ООС переключением резисторов R7-R9.
При измерении напряжения величиной менее 1 В (на пределах 0,01,0,1, 1 В), входной сигнал не делится, и только изменяется коэффициент усиления ОУ А1, при измерении напряжения более 1В (пределы 10, 100, 1000В) , входной сигнал делится на 1000 резисторами R1 R2, а выбор этих пределов производится также изменением усиления ОУ.
Входная цепь, состоящая из резистора R3 и двунаправленного стабилитрона V1 предназначена для защиты входа операционного усилителя от перегрузки, вызванной ошибочно неправильным включением предела измерения. Резистор и стабилитрон представляют собой параметрический стабилизатор, который не дает входному напряжению быть больше 6,2 В.
Микроамперметр PV1 , по шкале которого производится отсчет постоянного напряжения, включен в цепь ООС ОУ между его инвертирующим входом и выходом, его сопротивление вместе с сопротивлением резисторов R7-R9 создает делитель выходного напряжения, и соответственно изменяя нижнее плечо этого делителя (при переключении резисторов) изменяется и глубина ООС, следовательно изменяется и коэффициент усиления. Такое построение схемы выбора пределов измерения позволило свести к минимуму число высокоомных резисторов.
Предварительную установку стрелочного индикатора в нулевое положение (перед началом измерения) производят балансировкой операционного усилителя при помощи переменного резистора R5. Резисторы R4 и R6 ограничивают пределы балансировки и увеличивают точность установки нуля. Для установки нуля переключатель пределов S1 нужно установить в положение "0", при этом входная цепь вольтметра замыкается накоротко.
Переменное напряжение измеряется вольтметром на операционном усилителе А2. Здесь используется такая-же схема с двухступенчатым входным делителем и трехступенчатым изменением коэффициента усиления ОУ. Разница в том, что входной делитель имеет частотную коррекцию на конденсаторах С2 и С3. Это необходимо для обеспечения достоверности измерений в широком диапазоне входных частот.
Резистор R12 и стабилитрон V2 служат для предохранения входа от перегрузки при неправильном выборе предела измерения, работают точно также как и в вольтметре постоянного тока.
Индикатор PV2 такой-же как в вольтметре постоянного тока, но здесь он служит дли измерения переменного напряжения и включается через мостовой выпрямитель на диодах V3-V6, резистор R16 служит для точной установки чувствительности микроамперметра, для сохранения уже имеющейся градуировки шкалы.
Переключение коэффициентов усиления ОУ производится также, путем изменения глубины ООС изменением коэффициента деления цепи, состоящей из микроамперметра и одного из резисторов R17-R19, включенной между инверсным входом и выходом ОУ А2.
Установка нуля измерительного прибора производится балансировкой операционного усилителя при помощи переменного резистора R14, резисторы R13 и R15 ограничивают пределы балансировки, делая её более точной.
Источник питания сделан по простой трансформаторной схеме с мостовым выпрямителем и параметрическим двухполярным стабилизатором на стабилитрона V7 и V8 (ОУ потребляют небольшой ток, и использование транзисторных стабилизаторов, обеспечивающих большой выходной ток не требуется).
Понадобился точный милливольтметр переменного тока, отвлекаться на поиски подходящей схемы и подбирать детали уж очень не хотелось, и тогда взял и купил готовый набор «Милливольтметр переменного тока». Когда вник в инструкцию выяснилось, что у меня на руках только половина того что нужно. Оставил эту затею и купил на базаре древний, но в почти отличном состоянии осциллограф ЛО-70 и прекрасно всё сделал. А так как за последующее время изрядно надоело перекладывать этот пакетик с конструктором с места на место, решил всё же его собрать. Также присутствует любопытство по поводу того насколько хорош он будет.
В набор входит микросхема К544УД1Б которая представляет собой операционный дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением и низким уровнем входных токов, с внутренней частотной коррекцией. Плюс печатная плата с двумя конденсаторами, с двумя парами резисторов и диодов. Также имеется инструкция по сборке. Всё скромно, но обид нет, стоит набор меньше чем одна микросхема из него в розничной продаже.
Милливольтметр, собранный по данной схеме позволяет измерять напряжение с пределами:
- 1 - до 100 мВ
- 2 - до 1 В
- 3 - до 5 В
В диапазоне 20 Гц - 100 кГц, входное сопротивление около 1 МОм, напряжение питания
от + 6 до 15 В.
Печатная плата милливольтметра переменного тока изображена со стороны печатных дорожек, для «отрисовки» в Sprint-Layout («зеркалить» не нужно), если понадобиться.
Сборка началась с изменений в компонентном составе: под микросхему поставил панельку (сохранней будет), керамический конденсатор поменял на плёночный, номинал естественно прежний. Один из диодов Д9Б при монтаже пришёл в негодность - запаял все Д9И, благо в инструкции последняя буква диода вообще не прописана. Номиналы всех устанавливаемых на плату компонентов были измерены, они соответствуют указанным в схеме (у электролита ).
В набор были включены три резистора номиналом R2 - 910 Ом, R3 - 9,1 кОм и R4 - 47 кОм однако при этом в руководстве по сборке есть оговорка что их номиналы необходимо подбирать в процессе настройки, так что сразу поставил подстроечные резисторы на 3,3 кОм, 22 кОм и 100 кОм. Их было нужно смонтировать на любой подходящий переключатель, взял имевшийся в наличии марки ПД17-1. Показался весьма удобным, миниатюрен, есть за что крепить на плате, имеет три фиксированных положения переключения.
В итоге все узлы из электронных компонентов поместил на монтажную плату , соединил их между собой и подсоединил к маломощному источнику переменного тока - трансформатору ТП-8-3, который подаст на схему напряжение 8,5 вольт.
А теперь заключительная операция - калибровка. В качестве генератора звуковой частоты использован виртуальный. Звуковая карта компьютера (даже самая посредственная) вполне прилично справляется с работой на частотах до 5 кГц. На вход милливольтметра подан от генератора звуковой частоты сигнал частотой 1000 Гц, действующее значение которого соответствует предельному напряжению выбранного поддиапазона.
Звук берётся с разъёма «наушники» (зелёного цвета). Если после подсоединения к схеме и включения виртуального звукового генератора звук «не пойдёт» и даже подключив наушники его, не будет слышно, то в меню «пуск» наведите курсор на «настройки» и выберите «панель управления», где выберите «диспетчер звуковых эффектов» и в нём нажмите на «Выход S/PDIF», где будет указано несколько вариантов. Наш тот, где есть слова «аналоговый выход». И звук «пойдёт».
Был выбран поддиапазон «до 100 мВ» и при помощи подстроечного резистора достигнуто отклонение стрелки на конечное деление шкалы микроамперметра (внимание на символ частоты, на шкале, обращать не нужно). То же самое было успешно проделано с другими поддиапазонами. Инструкция производителя в архиве. Несмотря на свою простоту, радиоконструктор оказался вполне работоспособным, и что особенно понравилось - адекватным в настройке. Одним словом набор хорош. Поместить всё в подходящий корпус (если нужно), установить разъёмы и прочее будет делом техники.
Обсудить статью МИЛЛИВОЛЬТМЕТР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Компараторы
Если использовать операционный усилитель без отрицательной обратной связи (ООС), то однозначно можно говорить о том, что получится . Для того, чтобы разобраться как же он работает, можно проделать несколько простых, но наглядных опытов. Для этого понадобится немного: собственно операционный усилитель, блок питания с напряжением 9…25В, несколько резисторов, пара светодиодов и вольтметр ().
Из светодиодов и резисторов собирается простейший логический пробник, как показано на рисунке 1.
При подаче на вход пробника положительного напряжения (можно даже подать +U) светится красный светодиод, а если вход соединить с общим проводом, то зажжется зеленый. С помощью такого пробника состояние выхода испытываемого операционного усилителя становится наглядным и понятным.
В качестве подопытного «кролика» подойдет любой, не особо качественный и дорогой , например КР140УД608(708) в пластмассовых корпусах либо К140УД6(7) в круглых металлических.
Рисунок 1. Схема простого логического пробника
Следует при этом отметить, что несмотря на разные корпуса, цоколевка этих микросхем одинакова и соответствует показанной на схемах ниже. Чаще случается, что цоколевка пластмассовых и металлических корпусов не совпадает, хотя по сути дела это одинаковые микросхемы. Сейчас большая часть операционных усилителей, особенно импортных, выпускаются в пластмассовых корпусах, и все работает хорошо и прекрасно, и никакой путаницы с цоколевками. А раньше такие «пластмассовые» микросхемы у специалистов презрительно назывались «ширпотребовскими».
Рисунок 2. Схема на операционном усилителе
Для первых опытов соберем схему, показанную на рисунке 2. Здесь сделано не так уж много: к однополярному источнику питания подключен собственно операционный усилитель и показанный на рисунке 1 логический пробник. Напряжение питания +U однополярное величиной 9…30В. Величина напряжения в наших опытах особого значения не имеет.
Вот тут может возникнуть вполне законный вопрос: «Почему же пробник логический, ведь операционный усилитель аналоговый элемент?». Да, но в данном случае операционный усилитель работает не в режиме усиления, а в режиме компаратора, и на выходе имеет всего два уровня. Напряжение близкое к 0В, называется логическим нулем, а напряжение близкое к +U логической единицей. В случае двухполярного питания логическому нулю соответствует напряжение близкое к -U.
При подаче напряжения питания один из светодиодов обязательно должен засветиться. На вопрос какой, красный или зеленый ответить нельзя, поскольку все зависит от параметров конкретного операционного усилителя и от внешних условий, например от сетевых наводок. Если взять несколько однотипных ОУ, то результаты будут самые различные.
Напряжение на выходе операционного усилителя контролируется вольтметром: если светится красный светодиод, то вольтметр покажет напряжение близкое к +U, а в случае свечения зеленого светодиода напряжение будет почти нулевое.
Теперь можно попробовать подать на входы какие-нибудь напряжения и посмотреть по индикаторам и вольтметру как будет вести себя операционный усилитель. Проще всего подать напряжения коснувшись одним пальцем по очереди каждого входа операционного усилителя, а другим одного из выводов питания. При этом должно измениться свечение пробника и показания вольтметра. Но этих изменений может и не произойти.
Все дело в том, что некоторые операционные усилители рассчитаны на то, что напряжение на входах находится в определенных пределах: несколько выше, чем напряжение на выводе 4 и несколько ниже, чем напряжение питания на выводе 7. Это «несколько ниже, выше» составляет 1…2В. Чтобы продолжить опыты, выполнив указанное условие, придется собрать чуть более сложную схему, показанную на рисунке 3.
Рисунок 3.
Теперь напряжение на входы подается с помощью переменных резисторов R1, R2, движки которых следует перед началом измерений установить вблизи среднего положения. Вольтметр теперь переместился в другое место: он будет показывать разность напряжений между прямым и инверсным входами.
Лучше, если этот вольтметр будет цифровой: полярность напряжения может изменяться, на индикаторе цифрового прибора покажется знак «минус», а стрелочный прибор просто «зашкалит» в обратную сторону. (Можно применить стрелочный вольтметр со средней точкой шкалы.) К тому же входное сопротивление цифрового вольтметра намного выше, чем у стрелочного, следовательно результаты измерений получатся точнее. Состояние выхода будем определить по светодиодному индикатору.
Здесь уместно дать такой совет: лучше эти простые опыты проделать своими руками, а не просто прочитать и решить, что все просто и понятно. Это как прочитать самоучитель игры на гитаре, при этом гитару не взяв ни разу в руки. Итак, начнем.
Первое, что надо сделать это установить движки переменных резисторов примерно в среднее положение, при этом напряжение на входах операционного усилителя близко к половине напряжения питания. Чувствительность вольтметра следует сделать максимальной, но, возможно, не сразу, а постепенно, чтобы не спалить прибор.
Предположим, что на выходе операционного усилителя низкий уровень, светится зеленый светодиод. Если это не так, то такого состояния можно добиться, вращая переменный резистор R1 таким образом, чтобы движок перемещался вниз по схеме - можно практически до 0В.
Теперь с помощью переменного резистора R1 начнем прибавлять напряжение на прямом входе операционного усилителя (вывод 3), наблюдая за показаниями вольтметра. Как только вольтметр покажет положительное напряжение (напряжение на прямом входе (вывод 3) больше, чем на инверсном (вывод 2)) зажжется красный светодиод. Следовательно напряжение на выходе операционного усилителя высокое или, как условились ранее, логическая единица.
Небольшая справка
Точнее даже не логическая единица, а высокий уровень: логическая единица обозначает истинность сигнала, мол, событие произошло. Но эта истинность, эта логическая единица может быть выражена и низким уровнем. В качестве примера можно вспомнить интерфейс RS-232, в котором логической единице соответствует отрицательное напряжение, в то время как логический ноль имеет положительное напряжение. Хотя в других схемах логическая единица чаще всего выражается высоким уровнем.
Продолжим научный опыт. Начнем осторожно и медленно вращать резистор R1 в обратную сторону, следя за показаниями вольтметра. В определенный момент он покажет ноль, но красный светодиод еще будет светиться. Поймать положение в котором оба светодиода погашены вряд ли удастся.
При дальнейшем вращении резистора полярность показаний вольтметра также изменится на отрицательную. Это говорит о том, что напряжение на инверсном входе (2) по абсолютному значению выше, чем на прямом входе (3). Зажжется зеленый светодиод, что говорит о низком уровне на выходе операционного усилителя. После этого можно продолжать вращать резистор R1 в том же направлении, но изменений никаких не произойдет: зеленый светодиод не погаснет и даже нисколько не изменит яркость.
Такое явление имеет место когда операционный усилитель работает в режиме компаратора, т.е. без отрицательной обратной связи (иногда даже с ПОС). Если же ОУ работает в линейном режиме, охвачен отрицательной обратной связью (ООС), то при вращении движка резистора R1 напряжение на выходе меняется пропорционально углу поворота, читай разности напряжений на входах, а вовсе не ступенькой. В этом случае яркость светодиода можно изменять плавно.
Из всего сказанного можно сделать вывод: напряжение на выходе операционного усилителя зависит от разницы напряжений на входах. В случае, когда напряжение на прямом входе выше, чем на инверсном, выходное напряжение имеет высокий уровень. В противном случае (напряжение на инверсном выше, чем на прямом) на выходе уровень логического нуля.
В самом начале этого эксперимента было рекомендовано установить движки резисторов R1, R2 приблизительно в среднее положение. А что будет, если первоначально установить их на третью часть оборота или на две трети? Да собственно ничего не изменится, все будет работать также, как было описано выше. Из этого можно сделать вывод, что сигнал на выходе операционного усилителя не зависит от абсолютного значения напряжений на прямом и инверсном входах. А зависит только от разницы напряжений.
Из всего сказанного можно сделать еще один важный вывод: операционный усилитель без обратной связи представляет собой компаратор - сравнивающее устройство. В таком случае на один вход подается опорное или образцовое напряжение, а на другой напряжение, величину которого надо контролировать. На какой вход подавать опорное напряжение решается в процессе разработки схемы.
В качестве примера на рисунке 4 показана схема , на входе которого имеются сразу 2 внутренних компаратора DA1 и DA2.
Рисунок 4. Схема интегрального таймера NE555
Их назначение - управление внутренним . Логика управления достаточно проста: логическая единица с выхода компаратора DA2 устанавливает триггер в единицу, а логическая единица с выхода компаратора DA1 сбрасывает триггер.
На резисторах R1…R3 собран делитель, подающий опорные напряжения на входы компараторов. Все три резистора имеют одинаковые сопротивления (5Ком), формирующие напряжения 2/3 и 1/3 напряжения питания, которые поданы, соответственно, на инвертирующий вход DA1 и на неинвертирующий вход DA2.
В плане того, что было написано выше, получается, что логическая единица на выходе компаратора DA1 получится в том случае, если входное напряжение на прямом входе превысит опорное на инверсном (2/3Uпит.), триггер сбросится в ноль.
Для того, чтобы установить триггер в 1, требуется получить высокий уровень на выходе внутреннего компаратора DA2. Такое состояние будет достигнуто когда уровень напряжения на инверсном входе DA2 будет меньше 1/3Uпит. Именно такое опорное напряжения подано на прямой вход компаратора DA2.
Здесь не ставится цель описания интегрального таймера NE555, просто в качестве примера использования ОУ показаны входные компараторы, спрятанный внутри микросхемы. Для тех, кому интересно применение таймера 555, можно рекомендовать для прочтения статью .
Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? ;) Ладно, давно пора двинуть небольшой ликбезик. В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.
Что это
Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас U вых = K*U вх а К в идеале равно бесконечности. На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления;) И баста.
А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.
Более того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в идеальном случае и ОЧЕНЬ много в реальном. Счет там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение на входе, но на него влияет минимально. И можно считать, что ток в ОУ не течет.
Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:
U out =(U 2 -U 1)*K
Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.
Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится:
Компаратор
Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно. Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях и про создание . Также компаратор замечательно используется для создания .
Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.
Обратная связь
Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.
Положительная обратная связь
Возьмем и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.
- Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
- Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт
А что будет если напряжение будет равно нулю? По идее на выходе должен быть ноль. Но в реальности напряжение НИКОГДА не будет равно нулю. Ведь даже если на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход. И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.
Для решения этой проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода зазор между переключениями из одного состояния в другое. Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:
 |
Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.
И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1.4.
Возникает своеобразный зазор где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2. Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.
Но все же ОУ чаще используют в режиме с отрицательной обратной связью.
Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:
 |
В случае отрицательной обратной связи у ОУ появляется интересное свойство. Он всегда будет пытаться так подогнать свое выходное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разность.
Пока я в великой книге от товарищей Хоровица и Хилла это не прочитал никак не мог вьехать в работу ОУ. А оказалось все просто.
Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U 1 , на инверсном входе U out = U 1 . Ну и получается, что U out = U 1 .
Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!
Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:
 |
Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика. Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки.
В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.
Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:
 |
Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.
Теперь будет U 1 на прямом. На инверсном U out /2 = U 1 или U out = 2*U 1 .
Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:
U out = U 1 *(1+R 1 /R 2)
Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:
При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R 2 , R 1 в U out . При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.
Итак. Представим, что U out =0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно U out . Делитель из R 1 и R 2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.
Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.
Но можно же и другие резисторы подобрать, чтобы наш делитель выдавал другие коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для такого усилка будет следующей:
U out = — U in * R 1 /R 2
Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.
Допустим U 2 и U 1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно:)
Если U 1 станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U 1 и U out станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U 1 -U out)/(R 3 +R 4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R 4 составит R 4 *I 4 = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.
Таким образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.
Более того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы выбраны одинакового номинала и поэтому все коэффициенты равны единице. А на самом деле, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:
U out = U 2 *K 2 — U 1 *K 1
K 2 = ((R 3 +R 4) * R 6) / (R 6 +R 5)*R 4
K 1 = R 3 /R 4
Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такова:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху поэтому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний. Знаменатель внизу, поэтому складываем нижние резисторы и множим на верхний.
Тут все просто. Т.к. точка 1 у нас постоянно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются. Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.
Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.
U out = -1(R 3 *U 1 /R 1 + R 3 *U 2 /R 2)
Резисторы на входе (R 1 , R 2) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И U out = -1(U 1 +U 2)
Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.
 |
Uout = U 1 *K 1 + U 2 *K 2
K 1 = R 5 /R 1
K 2 = R 5 /R 2
Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R 3 /R 4 = K 1 +K 2
В общем, на операционных усилителях можно творить любую математку, складывать, умножать, делить, считать производные и интегралы. Причем практически мгновенно. На ОУ делают аналоговые вычислительные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — дура размером в пол комнаты. Несколько металлических шкафов. Программа набирается соединением разных блоков проводочками:)
